铁路货车制动配件用热轧不锈钢复合板的开发与应用

2012-08-03陈传玉金建炳郭静云

铁道机车车辆 2012年1期

刘纯，陈传玉，金建炳，郭静云

（1 济钢集团山东鲍德金属复合板有限公司，山东济南250101；2 四川制动科技股份有限公司，四川眉山620010）

目前，我国铁路货车制动缸体广泛采用铸铁制动缸体，由于铸铁制动缸体与后盖分为两体、加工装卸工作量大、生产效率低、周期长、质量大、原材料和能源消耗大、缸体内表面粗糙度大、耐磨性差及寿命低等特点，致使检修周期短，劳动强度大，而国外发达国家已采用整体密封旋压制动缸。整体密封旋压制动缸结构合理，作用可靠，具有质量轻、精度高、耐磨性好、检修周期长、制造和检修工作量小等优点，是铸铁缸的替代产品。但是目前的密封旋压制动缸的材料一般都是用Q235A和10＃、20＃钢，在长期的使用过程中，由于空气中含有水分，导致缸体内壁生锈，内壁受到腐蚀容易脱落，对制动缸的使用寿命产生影响，给铁路行车安全带来隐患。为解决上述问题，受中国南车集团眉山车辆厂的委托，共同开发研制优质碳素钢＋不锈钢的复合钢板代替现有钢板。

1 材料的选择

铁路货车制动配件即密封旋压制动缸用不锈钢复合板材料选用主要根据用途考虑复层材料的耐腐蚀、耐磨、耐冲击、表面摩擦系数等性能，具体根据复层所处的环境、介质、工作条件等选择复层材料种类；基层材料的选择也有特殊的要求，多选用10＃、20＃和Q235A等冲压性能优良的钢种，设计时基层材料承担全部应力。

1.1 基层材料的选择

试制初期我们尝试用Q235A号钢板作为坯料进行试验，由于材质本身的原因，在冲压或拉旋时出现了裂纹和夹层等现象。后来又选用20＃钢板进行试验，通过试验证明，毛坯材料表面不得有夹杂、裂纹、隔层和斑痕，否则旋压件易出现断裂、微裂、起鳞皮及斑点等。整体密封旋压制动缸在产品制作工艺中经过两次冷冲压预成形（中间加退火处理）、酸洗、焊接和最后强旋成形等阶段，材料必须要有良好的塑性。延伸率和冷弯性能是衡量钢材塑性好坏的力学性能指标。对碳素结构钢而言，碳当量越高，铁素体含量越小，珠光体含量高，塑性越差。为得到塑性组织，应适当降低钢的碳当量①。最后我们选择低碳当量的10＃钢板进行试验。

10＃钢特性：强度稍高于08＃钢，塑性和韧性也很好，无回火脆性，在正火或冷拉状态下，其切削加工性较好，在冷态下容易模压、挤压成形，但淬硬性、淬透性低。因此选择10＃钢板是最适宜的。

1.2 复层材料的选择

在GB／T 8165国家标准中列出了典型的复层材料有 1Cr13、 0Cr13Al、 0Cr18Ni10Ti、 0Cr18Ni9、00Cr18Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2 等不锈钢，0Cr18Ni9不锈钢具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能，冲压弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象，无磁性。

根据南车集团眉山车辆有限公司委托旋压密封式制动缸内部防腐环境需要、结构受力等技术要求需要选择10＃＋0Cr18Ni9材质作为热轧扩散焊不锈钢复合板材料，厚度规格为（9＋1）mm作为缸体材料，（4＋1）mm作为前盖材料。

表1 10＃钢和0Cr18Ni9的化学成分比较

1.3 生产研制难点

（1）缸体材质采用10＃钢，不锈钢复层必须能满足良好的机械加工性能，必须考虑到不锈钢层的力学性能不同于碳钢，如何保证热轧完后的复合板，在制成缸体后在使用时受力状态满足要求是本项目的难点。

（2）如何保证不锈钢复合板的产品性能，使其达到设计要求，复合率达到99%，剪切强度达到260MPa（国家标准为210MPa），本产品要进行冲压、热处理和旋压是本项目的难点之一。

（3）旋压密封式制动缸缸体对不锈钢面的光洁度和表面粗糙度有很高的要求，其旋压成形后外表面应光洁平整，其粗糙度不高于Ra12.5，缸体内壁表面粗糙度Ra0.8，圆度0.14，直线度0.2。

2 复合工艺技术方案和质量控制

（1）采用真空扩散焊专利技术保证不锈钢复合板的复合率及复合强度；热轧复合技术依据热轧钎焊不锈钢复合板专利技术，经过对技术的优化和创新，目前形成热轧扩散焊复合技术，技术已经成熟，一次复合率达到98%以上，复合板的剪切强度达到300～450MPa，比标准210MPa有显著提高。

（2）采用适当的热处理工艺来降低热轧不锈钢复合板的应力。

（3）不锈钢复合板经超声波探伤、力学性能试验、剪切、成形。

（4）生产关键技术

①热轧扩散焊复合工艺是指在高温、高压、真空和表面清洁的条件下通过轧制实现不锈钢与碳钢达到冶金结合，其核心是复合坯的设计。由于碳钢和不锈钢的延伸率有差别，在复合坯料设计时通过系数调整两种材料的基板尺寸。合理设计不锈钢复合板的生产方案，优化组坯质量是本工艺的关键；

②不锈钢与碳钢表面全部进行洁净化处理，增强不锈钢与碳钢的扩散能力；

③采用控温控轧制工艺提高复合钢板的强韧性，保证材质性能；

④采用热处理工艺提高复合钢板强度和降低复合板应力，保证材料板型；

⑤技术装备保证

在以步进式加热炉、4 300mm宽厚板轧机、3 500 mm中厚板轧机、1 700mm热连轧机和2 500mm中板轧机为“四位一体”的装备优势为基础的同时，又根据工艺特点自行设计并制作了组坯、抽真空、满焊、精整等生产线，连续批量生产热轧扩散焊不锈钢复合板的技术装备保证能力日渐雄厚，工艺线达到国内领先水平。

3 复合板实物质量

3.1 力学性能

热轧扩散焊不锈钢复合板没有表面缺陷，板型平整。经超声波探伤及力学性能试验判定合格后发货。表2为生产的热轧扩散焊不锈钢复合板实际力学性能试验参数。

表2 热轧扩散焊不锈钢复合板实际力学性能试验参数

3.2 探伤情况（图1）

按照JB／T 4730－2005《承压设备无损检测标准第3部分－超声波部分》的有关规定，通过GB／T 8165－2008《不锈钢复合钢板和钢带》的有关缺陷波形的规定，对上述钢板进行了超声波探伤，未发现有超过2个标准规定的缺陷波形（未发现第一次底波高度不大于荧光屏满刻度的5%，且缺陷波大于荧光屏满刻度的5%的部分）。

3.3 冷弯情况（图2）

对热轧扩散焊不锈钢复合板试样进行180°冷弯试验，弯曲部分的外面、里面和侧面未见裂纹、裂断和分层现象。

3.4 结合组织分析

通过对热轧扩散焊不锈钢复合板的试样经抛光浸蚀后宏观可以清楚地显示出所有的不锈钢与碳钢复合交界处呈扩散结合形态（图3），在扫描电子显微镜下观察，结合区基板和复板的结合方式是直接结合，中间没有新合金生成，利用X射线能谱仪进行微区成分分析表明，从复层到基层合金元素成分发生急剧变化，大部分能保持原材料基体的成分，这种结合方式占主要方式。

图1 剪切试件

图2 弯曲试样

图3 结合区域

4 用户使用情况跟踪

4.1 用户使用情况

2009年12月份眉山车辆厂生产的C70C型敞车装用10＃＋0Cr18Ni9不锈钢复合板制作成305×254FH旋压密封式制动缸（A型）进行运用考验，总计装车198辆。

4.2 运用情况

2010年6月在铁道部相关部门的协助下，山东鲍德公司和眉山车辆有限公司对该批装用305×254FH旋压密封式制动缸（A型）的车辆进行了调研，主要调研区段有石太线的太原北车辆段，所调研的车辆制动缓解均动作灵活，无卡滞现象，未出现运用故障。

2011年1月眉山车辆有限公司设计、山东鲍德公司售后服务人员赴太原北车辆段，在石太线（石家庄—太原）进行现场调研，针对305×254FH旋压密封式制动缸（A型）的运用情况与车辆段的技术人员进行了交流。南车集团眉山车辆有限公司生产的装用305×254FH旋压密封式制动缸（A型）的C70C型敞车，在运用和检修中未发现任何制动缸故障，使用情况良好。具体见图4所示。

4.3 检测

为详细了解305×254FH旋压密封式制动缸（A型）的缸体是否出现分层现象，南车集团眉山车辆有限公司用两套新的性能完全符合要求的305×254FH旋压密封式制动缸（A型）替换已经运行1年多旧的305×254FH旋压密封式制动缸（A型），对其进行性能试验测试，同时检测缸体的磨损情况，并对其进行剖切，检验是否出现分层。